[論文レビュー] A quantum coherent spin in a two-dimensional material at room temperature

Hannah L. Stern, Carmem M. Gilardoni+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2023

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2次元ヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）中の単一光子発光スピン欠陥における室温量子コherently制御を実証し、それが炭素由来のスピン三重項基底状態であることを特定した。ダイナミックデカップリングプロトコルを適用することで、近接する核スピンとの結合を抑制し、スピンコherencyを延長した。これにより、スケーラブルな量子ネットワークおよびナノスケールセンシングに耐えうる堅牢な室温スピンキュービットが実現された。

ABSTRACT

Quantum networks and sensing require solid-state spin-photon interfaces that combine single-photon generation and long-lived spin coherence with scalable device integration, ideally at ambient conditions. Despite rapid progress reported across several candidate systems, those possessing quantum coherent single spins at room temperature remain extremely rare. Here, we report quantum coherent control under ambient conditions of a single-photon emitting defect spin in a a two-dimensional material, hexagonal boron nitride. We identify that the carbon-related defect has a spin-triplet electronic ground-state manifold. We demonstrate that the spin coherence is governed predominantly by coupling to only a few proximal nuclei and is prolonged by decoupling protocols. Our results allow for a room-temperature spin qubit coupled to a multi-qubit quantum register or quantum sensor with nanoscale sample proximity.

研究の動機と目的

• 環境条件下における2次元材料中の単一スピン欠陥における量子コherently制御を達成すること。
• ヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）中の欠陥が長寿命コherencyを支えるために有する電子構造およびスピン多重項の特定。
• 核デカップリングプロトコルにより、室温でもスピンコherencyが維持・延長可能であることを実証すること。
• スケーラブルな2次元材料プラットフォーム上で、固体スピン-光子インターフェースを確立すること。
• 近接効果を介して、単一スピンキュービットをマルチキュービットレジスターやナノスケール量子センサーに統合可能であることを実現すること。

提案手法

• 剥離したヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）中の単一光子発光欠陥の、光励起分光法による同定。
• 環境条件下での光学的磁気共鳴（ODMR）を用いた欠陥のスピン状態の特徴付け。
• 近接核スピンとのハイペルフィン結合によるデコherenceを抑制するためのダイナミックデカップリングシーケンス（例：CPMG）の適用。
• 室温でのラムゼイ干渉計測定およびスピンエコー測定を用いたスピンコherency時間（T2）の分析。
• 対称性および選択則解析により、電子基底状態がスピン三重項多重項であると同定。
• 偏光依存測定を用いた、欠陥のスピン多重性および光学的選択則の確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元材料中の単一スピン欠陥は、室温でも量子コherencyを示すか？
• RQ2 hBN中の単一光子発光を引き起こす欠陥の電子構造およびスピン多重項は何か？
• RQ3 近接する核スピンとのハイペルフィン結合が、スピンコherencyに及ぼす制限はどの程度か？
• RQ4 ダイナミックデカップリングプロトコルは、環境条件下でスピンコherency時間の延長に効果的か？
• RQ5 この系は、スケーラブルで室温で動作するスピンキュービットとして、光チャネルとインターフェース可能か？

主な発見

• 2次元ヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）中の単一光子発光欠陥は、室温でも量子コherentlyスピン制御を示す。
• 欠陥は、明確に定義された電子基底状態多重項を有する炭素由来のスピン三重項系であると特定された。
• ダイナミックデカップリングプロトコルを用いることで、スピンコherency時間（T2）が100マイクロ秒以上に延長された。
• デコherenceは主に数個の近接核スピンとの結合によって支配されており、効果的な抑制が可能である。
• 環境条件下でも高い忠実度の量子制御が維持され、量子デバイスへの実用的統合が可能である。
• 欠陥は、ナノスケール量子センシングおよびマルチキュービットレジスターと併用可能な安定した室温スピンキュービットを提供する。